光伏器件原理與設(shè)計(jì)(一)

光伏器件原理與設(shè)計(jì)

Principlesanddesignofphotovoltaicdevices

陳諾夫

nfchen@緒論光伏器件——太陽電池中國光伏的發(fā)展歷程太陽電池分類太陽電池設(shè)計(jì)要點(diǎn)本課程安排化石能源逐漸枯竭環(huán)境污染日益嚴(yán)重太陽電池緒論為什么使用太陽電池我國石油、煤炭資源匱乏（2000年）：我國人均煤炭可采儲量90噸（54.9％）我國人均石油可采儲量3噸（11％）我國人均天然氣1080立方米（4.3％）（占世界平均水平的**%）

2004年，我國已取代日本成為世界第二大石油進(jìn)口國，進(jìn)口依存度超過50％；（美國為第一大石油進(jìn)口國）緒論為什么使用太陽電池目前我國能源結(jié)構(gòu)極不合理煤炭年消耗量約為13億噸，在我國能源總量中的比重超過60％。我國已成為世界第一大二氧化碳排放國（美國原為第一大排放國）。二氧化碳產(chǎn)生的污染不僅對我國的居民健康和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p害，還使我們面臨巨大的國際壓力。緒論為什么使用太陽電池我國的太陽能資源非常豐富據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果把全國1％的荒漠中的太陽能用于發(fā)電，就可以發(fā)出相當(dāng)于2003年全年的耗電量。屆時(shí)，西藏、甘肅、青海、新疆、云南等廣大西部地區(qū)將成為我國新的能源基地。我國太陽能光伏發(fā)電——?jiǎng)菰诒匦?！緒論為什么使用太陽電池中國的太陽能分布WestAbundantsunshineEastdeficientsunshine緒論為什么使用太陽電池ColorAreaAnnualValue（KWh/m2）DailyValue（KWh/m2）RedWest≥1860≥5.1OrangeMidwest1500–18604.1–5.1YellowWest&Middle1200–15003.3–4.1BlueEast<1200<3.3SolarEnergyResourcesinChina緒論為什么使用太陽電池Theresearchonsolarcellsbeganin1958.Researchinstitutions:DepartmentofSemiconductors,InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences.TheDepartmentofSemiconductorsbecameanindependentInstituteofSemiconductorsin1960.18thInstitute,theformerMinistryof4thMachineIndustry.緒論中國光伏的發(fā)展歷程Thefirstmonocrystallinesiliconsolarcell,withp/njunctionand6%efficiency,wassuccessfullymadeatthe18thInstitutein1960,6yearslaterthanthefirstapplicablesolarcellintheworld.緒論中國光伏的發(fā)展歷程Themonocrystallinesiliconsolarcell

wasassembledonChinesesatellite—“Shi-JianI”in1971,whichran8yearsinspace.Firstapplication緒論中國光伏的發(fā)展歷程From1980’sthefollowingsolarcellsweresuccessfullyfabricatedinChinaGaAssolarcellAmorphoussiliconsolarcellPolycrystallinesiliconsolarcellCdTesolarcellCuInGaSnsolarcell緒論中國光伏的發(fā)展歷程From2000’sthefollowingsolarcellsweresuccessfullyfabricatedinChinaGaAs\GaInPdouble-junctionsolarcellGe\GaInAs\GaInP

trible-junctionsolarcella-Si\c-Sidouble-junctionsolarcellDyesensitivesolarcellConcentrationsolarcellNewconceptsolarcells:organicsolarcell,nanosolarcell,etc緒論中國光伏的發(fā)展歷程RepresentativePVResearchInstitutions18thInstituteofChinaElectronicTechnologyCorporation,TianjinGRINMSemiconductorMaterials,BeijingShanghaiSpacePowerInstitute,ShanghaiInstituteofSemiconductors,CAS,BeijingInstituteofPhysics,CAS,BeijingInstituteofPlasmaPhysics,CAS,HefeiAnhui緒論中國光伏的發(fā)展歷程PVResearchInstitutions(continued)NankaiUniversity,TianjinSichuanUniversity,ChengduWuhanUniversity,WuhanShanghaiJiaotongUniversity,ShanghaiBeijingUniversity,BeijingNorthChinaElectricPowerUniversity,BeijingYunnanNormalUniversity,Kunming緒論中國光伏的發(fā)展歷程光伏市場端市場表現(xiàn)；規(guī)模仍在擴(kuò)大，市場增長幅度減小市場格局發(fā)生變化歐洲增幅減少(歐債危機(jī)、政策調(diào)整)美、日、中及新興市場上升造成的影響供求關(guān)系驟然轉(zhuǎn)換市場對光伏組件有強(qiáng)烈的降價(jià)訴求光伏產(chǎn)品價(jià)格下降，對市場發(fā)展有利政策影響下的光伏市場發(fā)展節(jié)奏受政策支持力度的影響，增速有限至2010年底：10年平均增長率55.5%；5年平均增長率68%。2010年比上年增長超過100%；2011年比上年增長約65%緒論中國光伏的發(fā)展歷程我國太陽電池制造與國內(nèi)裝機(jī)

年度2005200620072008200920102011組件年發(fā)貨量（MWp）2004001088260040111067013800出口（MWp）1953901068256038511014011600出口比例（%）97.597.598.298．596.095.084.1年新增裝機(jī)（MWp）51020401605302600年裝機(jī)增長率(%)100100102297.5231.3390.9累計(jì)裝機(jī)（MWp）70801001403008303430緒論中國光伏的發(fā)展歷程省份年度上網(wǎng)電價(jià)（元/kWh)安裝容量目標(biāo)備注地面屋頂BIPV特許電價(jià)2007-20084.0上海、內(nèi)蒙古、寧夏等江蘇省20092.153.74.3400MWp20101.733.520111.42.42.9浙江省20101.1650MWp2011-20121.43山東省20101.710/Wp150MWp20111.420121.2寧夏自治區(qū)2009-20101.1550MWp特許臨時(shí)上網(wǎng)電價(jià)青海省20111.15已核準(zhǔn)900MWp原定2011.09.30前建成(2011.12.31前建成)特許權(quán)招標(biāo)120091.092820MWp甘肅敦煌特許權(quán)招標(biāo)220100.7288-0.9791甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古13個(gè)項(xiàng)目280MWp全國統(tǒng)一標(biāo)桿電價(jià)20111.152011.07.01前核準(zhǔn)并12.31前建成20121.0西藏仍執(zhí)行1.15元/kWh電價(jià)中國光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)情況緒論中國光伏的發(fā)展歷程光伏市場格局發(fā)生變化2010年分布超過GW的有德國、意大利、捷克三國歐洲約占80%，德國約占50%2011年分布超過GW的有意大利、德國、中國、美國、法國、日本六國歐洲約占75%，意、德兩國約占60%累積排序：德、意、西、日、美、中緒論中國光伏的發(fā)展歷程市場競爭對價(jià)格的影響光伏組件價(jià)格走勢：2007-2008年3歐元/Wp以上；2011年10月降到1歐元/Wp左右2012年國際市場平均價(jià)格已降到0.9美元左右，中國市場更是降到0.5美元。緒論中國光伏的發(fā)展歷程2010-2015年世界晶體硅電池成本預(yù)測累計(jì)增加成本：2011年組件成本1.1美元2006年以來世界晶體硅電池成本下降曲線/white%20papers/:Re-consideringtheEconomicsofPhotovoltaicPower

2008年美國金融危機(jī)之后，歐、美光伏市場需求急速增長。我國光伏企業(yè)大部分是民營企業(yè)逐利無序發(fā)展2011年我國光伏產(chǎn)能已超過30GW相當(dāng)于全球的光伏需求！！緒論中國光伏的發(fā)展歷程光伏產(chǎn)品制造端產(chǎn)能擴(kuò)充過快老企業(yè)大量擴(kuò)產(chǎn)新企業(yè)大量進(jìn)入產(chǎn)能大大超前于市場需求發(fā)貨量上升約26%，但增長率下降造成的影響競爭激烈一些中小企業(yè)拿不到定單下游產(chǎn)品價(jià)格大幅下滑，上游產(chǎn)品也只能隨之降價(jià)一些大型企業(yè)出貨量上升但利潤下滑成本較高的中游企業(yè)出現(xiàn)成本與市場價(jià)格倒掛;庫存要消化，部分產(chǎn)能閑置，競爭加劇，利潤空間被不斷擠壓。緒論中國光伏的發(fā)展歷程德國太陽電池發(fā)電鼓勵(lì)政策(2005)：太陽電池發(fā)電并入電網(wǎng)企業(yè)（居民）安裝太陽電池發(fā)電系統(tǒng)國家補(bǔ)貼一半太陽能發(fā)電輸入電網(wǎng)價(jià)：0.5歐元/kWh民用電網(wǎng)電價(jià)：0.27歐元/kWh太陽電池發(fā)電系統(tǒng)從業(yè)利潤：8%緒論中國光伏的發(fā)展歷程我國的《可再生能源法》２００５年２月２８日第十屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十四次會議通過2006年1月1日起執(zhí)行國家將可再生能源的開發(fā)利用列為能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域通過制定可再生能源開發(fā)利用總量目標(biāo)和采取相應(yīng)措施，推動(dòng)可再生能源市場的建立和發(fā)展。緒論中國光伏的發(fā)展歷程

《國家能源科技“十二五”規(guī)劃》發(fā)布《可再生能源發(fā)展基金管理辦法》發(fā)布兩次上調(diào)“可再生能源電價(jià)附加”（4厘、8厘）“全國統(tǒng)一上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)”發(fā)布（1.15元/kWh;2012年1元/kWh；將適時(shí)調(diào)整。青海2011裝機(jī)近1GW)“光電建筑”繼續(xù)實(shí)施（計(jì)劃:7.5元/瓦-9元/瓦；2012年將超100MW)“金太陽工程”繼續(xù)實(shí)施（2010計(jì)劃：7元/瓦，約1300MW；實(shí)際：5.5元/瓦，1709MWp——江蘇273MW，浙江、廣東、安徽、北京均超過100MW）工信部《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布財(cái)政部、國家發(fā)展改革委、國家能源局《可再生能源電價(jià)附加補(bǔ)助資金管理暫行辦法》發(fā)布科技部《太陽能發(fā)電科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》“十二五”光伏發(fā)電規(guī)劃目標(biāo)兩次上調(diào)（2012達(dá)15GW）許多地方制定了當(dāng)?shù)貎?yōu)惠政策國內(nèi)光伏相關(guān)政策密集出臺緒論中國光伏的發(fā)展歷程未來：2020年，我國太陽電池累計(jì)用量將達(dá)到30GW，將每年減排2820萬噸二氧化碳，就業(yè)人數(shù)將超過300萬人。太陽能發(fā)電的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，由此可見一斑。緒論中國光伏的發(fā)展歷程

未來無限——?dú)W洲2050路線圖指標(biāo)2020目標(biāo)－RE替代20%、減排20%、節(jié)能20%;2030目標(biāo)－RE替代43%；2050目標(biāo)－RE替代100%，在零碳電力基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)CO2減排80%?？稍偕茉磳﹄娏Φ呢暙I(xiàn)

可再生能源RE對總能耗的貢獻(xiàn)緒論中國光伏的發(fā)展歷程緒論太陽電池分類TypeofsolarcellsChina(%)World(%)Si(mono-crystalline)20.124.7Si(poly-crystalline)1620.3a-Si(3junctions,stable)1013c-Sithinfilm1016.6μc-Sithinfilm10.2913CdTe13.3816.4CuInGaSe12.119.23-JGaInP/GaAs/Ge(GaInP/GaAs/InGaAs)3233(37)2-JGaInP/GaAs23.530.3HIT(heterojunctionwithintrinsicthin-layer)14.9621.5PhotochemicalMonocrystallinedye911Concentrated3-j4143緒論太陽電池設(shè)計(jì)要點(diǎn)材料選擇與設(shè)計(jì)太陽中心光譜1.4eV,E>Eg,α(E)高電池表面反射率低少子壽命長電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表面電極設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)緒論本課程安排本課程共32學(xué)時(shí)任課教師：陳諾夫主要內(nèi)容半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)與p-n結(jié)特性太陽電池基本結(jié)構(gòu)多結(jié)太陽電池原理晶體硅太陽電池設(shè)計(jì)薄膜硅太陽電池設(shè)計(jì)化合物太陽電池設(shè)計(jì)多結(jié)太陽電池設(shè)計(jì)高倍聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)一.電子共有化晶體具有大量分子、原子或離子有規(guī)則排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。電子受到周期性勢場的作用。a按量子力學(xué)須解定態(tài)薛定格方程。第一章半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)§1.1晶體周期性

解定態(tài)薛定格方程(略），可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：1.電子的能量是分立的能級;2.電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。原子的外層電子(高能級)，勢壘穿透概率較大，電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),稱為共有化電子。原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊,一般不是共有化電子。二.能帶

(energyband)

量子力學(xué)計(jì)算表明，晶體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級,在晶體中變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。晶體中的電子能級有什么特點(diǎn)？能帶的寬度記作

E

，數(shù)量級為

E～eV。

若N~1023,則能帶中兩能級的間距約10-23eV。一般規(guī)律：

1.越是外層電子，能帶越寬，

E越大。

2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，

E越大。

3.兩個(gè)能帶有可能重疊。離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖三.能帶中電子的排布

晶體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級上。

排布原則：

1.服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）

2.服從能量最小原理設(shè)孤立原子的一個(gè)能級Enl，它最多能容納2(2?+1)個(gè)電子。這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，能帶最多能容納2N(2l+1)個(gè)電子。

電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級排起。

有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞：

1．滿帶（排滿電子）

2．價(jià)帶（能帶中一部分能級排滿電子）

亦稱導(dǎo)帶

3．空帶（未排電子）

亦稱導(dǎo)帶

4．禁帶（不能排電子）2ｐ、3ｐ能帶，最多容納6N個(gè)電子。例如，1ｓ、2ｓ能帶，最多容納2N個(gè)電子。2N(2l+1)一.布洛赫定理一個(gè)在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子的波函數(shù)應(yīng)具有哪些基本特點(diǎn)？在量子力學(xué)建立以后，布洛赫（F.Bloch）和布里淵（Brillouin）等人就致力于研究周期場中電子的運(yùn)動(dòng)問題。他們的工作為晶體中電子的能帶理論奠定了基礎(chǔ)。布洛赫定理指出了在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子波函數(shù)的特點(diǎn)?！?.2（補(bǔ)充）布洛赫定理?

空間在一維情形下，周期場中運(yùn)動(dòng)的電子能量E(k)和波函數(shù)必須滿足定態(tài)薛定諤方程

k-------表示電子狀態(tài)的角波數(shù)V(x)----周期性的勢能函數(shù)，它滿足

V(x)=V(x+na)a----晶格常數(shù)

n-----任意整數(shù)布洛赫定理：式中也是以a為周期的周期函數(shù)，即

*

注*：關(guān)于布洛赫定理的證明，有興趣的讀者可以查閱《固體物理學(xué)》黃昆原著韓汝琦改編（1988）P154具有(2)式形式的波函數(shù)稱為布洛赫波函數(shù),或布洛赫函數(shù)。滿足（1）式的定態(tài)波函數(shù)必定具有如下的特殊形式布洛赫定理說明了一個(gè)在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子波函數(shù)為：一個(gè)自由電子波函數(shù)與一個(gè)具有晶體結(jié)構(gòu)周期性的函數(shù)的乘積。

只有在等于常數(shù)時(shí)，在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子的波函數(shù)才完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ê瘮?shù)。

這在物理上反映了晶體中的電子既有共有化的傾向，又有受到周期地排列的離子的束縛的特點(diǎn)。

因此，布洛赫函數(shù)是比自由電子波函數(shù)更接近實(shí)際情況的波函數(shù)。

它是按照晶格的周期a調(diào)幅的行波。實(shí)際的晶體體積總是有限的。因此必須考慮邊界條件。

設(shè)一維晶體的原子數(shù)為N,它的線度為L=Na,則布洛赫波函數(shù)應(yīng)滿足如下條件此式稱為周期性邊界條件。二.周期性邊界條件采用周期性邊界條件以后，具有N

個(gè)晶格點(diǎn)的晶體就相當(dāng)于首尾銜接起來的圓環(huán)：在固體問題中，為了既考慮到晶體勢場的周期性，又考慮到晶體是有限的，我們經(jīng)常合理地采用周期性邊界條件：由周期性邊界條件可以推出:布洛赫波函數(shù)的波數(shù)k只能取一些特定的分立值。aa周期性邊界條件對波函數(shù)中的波數(shù)是有影響的。圖2周期性邊界條件示意圖左邊為右邊為所以由周期性邊界條件即周期性邊界條件使k

只能取分立值：證明如下:按照布洛赫定理：k是代表電子狀態(tài)的角波數(shù),n是代表電子狀態(tài)的量子數(shù)。對于三維情形,電子狀態(tài)由一組量子數(shù)(nx、ny、nz)來代表。它對應(yīng)一組狀態(tài)角波數(shù)（kx、

ky、

kz）。一個(gè)對應(yīng)電子的一個(gè)狀態(tài)。我們以為三個(gè)直角坐標(biāo)軸，建立一個(gè)假想的空間。這個(gè)空間稱為波矢空間、

空間，或動(dòng)量空間*。kx、ky、

kz由于德布洛意關(guān)系，即，所以空間也稱為動(dòng)量空間。注：在空間中，電子的每個(gè)狀態(tài)可以用一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)來表示，這個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是三.空間kykx0-112-23-31-12-2-33上式告訴我們，沿空間的每個(gè)坐標(biāo)軸方向，電子的相鄰兩個(gè)狀態(tài)點(diǎn)之間的距離都是。圖3表示二維空間每個(gè)點(diǎn)所占的面積是。因此，空間中每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)所占的體積為。

圖3二維空間示意圖§1.3克朗尼格-朋奈模型能帶中的能級數(shù)目

一.克朗尼格-朋奈模型

能帶理論是單電子近似理論。

布洛赫定理指出，一個(gè)在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子，其波函數(shù)一定是布洛赫函數(shù)。下面我們通過一個(gè)最簡單的一維周期場-------克朗尼格-朋奈（Kroning-Penney）模型來說明晶體中電子的能量特點(diǎn)。周期性邊界條件的引入,說明了電子的狀態(tài)是分立的。它把每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)看成是獨(dú)立地在一個(gè)等效勢場中的運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在再來說明電子的能量有什么特點(diǎn)？回顧：克朗尼格-朋奈模型是把圖1的周期場簡化為圖4所示的周期性方勢阱。假設(shè)電子是在這樣的周期勢場中運(yùn)動(dòng)。在0<x<a一個(gè)周期的區(qū)域中，電子的勢能為0caU0U(x)xb圖4克朗尼格-朋奈模型按照布洛赫定理，波函數(shù)應(yīng)有以下形式式中即可得到滿足的方程將波函數(shù)代入定態(tài)薛定諤方程利用波函數(shù)應(yīng)滿足的有限、單值、連續(xù)等物理（自然）條件，進(jìn)行一些必要的推導(dǎo)和簡化，最后可以得出下式注*：有興趣的讀者可參閱〈固體物理基礎(chǔ)〉

蔡伯熏編（1990）P268。式中而是電子波的角波數(shù)*。（4）式就是電子的能量E應(yīng)滿足的方程,也是電子能量E與角波數(shù)k

之間的關(guān)系式。(4)式的左邊是能量E的一個(gè)較復(fù)雜的函數(shù)，記作

f(E)；由于，所以使的E值都不滿足方程。下圖5為給出了一定的a、b、U0數(shù)值后的f(E)：右邊是角波數(shù)k的函數(shù)。由圖看出，在允許取的E值（暫且稱為能級）之間，有一些不允許取的E值（暫且稱為能隙）。下面的圖6為E~k

曲線的某種表達(dá)圖式。圖5f(E)函數(shù)圖f(E)EE2E3E5E4E6E7E10E圖6E~k

曲線的表達(dá)圖式兩個(gè)相鄰能帶之間的能量區(qū)域稱為禁帶。晶體中電子的能量只能取能帶中的數(shù)值，而不能取禁帶中的數(shù)值。圖中為“許可的能量”，稱為能帶*。E2E3E5E4E6E7E10E圖6E~k

曲線的表達(dá)圖式E~k

曲線與a有關(guān)、與U0b乘積有關(guān)。乘積U0b反映了勢壘的強(qiáng)弱。由于原子的內(nèi)層電子受到原子核的束縛較大，與外層電子相比，它們的勢壘強(qiáng)度較大。

計(jì)算表明：

U0b的數(shù)值越大所得到的能帶越窄。所以，內(nèi)層電子的能帶較窄。外層電子的能帶較寬。

從E~k

曲線還可以看出：

k值越大，相應(yīng)的能帶越寬。由于晶體點(diǎn)陣常數(shù)a越小，相應(yīng)于k值越大。因此，晶體點(diǎn)陣常數(shù)a越小，能帶的寬度就越大。有的能帶甚至可能出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象。E2E3E5E4E6E7E10E圖6E~k

曲線的表達(dá)圖式二.能帶中的能級數(shù)晶體中電子的能量不能取禁帶中的數(shù)值，只能取能帶中的數(shù)值。由圖5可以看出：第一能帶

k的取值范圍為

第二能帶k

的取值范圍為

第三能帶k

的取值范圍為

每個(gè)能帶所對應(yīng)的k的取值范圍都是*。注*：我們把以原點(diǎn)為中心的第一能帶所處的k

值范圍稱為第一布里淵區(qū);第二、第三能帶所處的

k值范圍稱為第二、第三布里淵區(qū)，并以此類推。所以，晶體中電子的能帶中有N

個(gè)能級。電子在晶體中按能級是如何排布的呢？電子是費(fèi)密子，它的排布原則有以下兩條：（1）服從泡里不相容原理（2）服從能量最小原理而在空間每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)所占有的長度為，因此，每一能帶中所包含的（狀態(tài)數(shù)）能級數(shù)為每個(gè)能帶所對應(yīng)的k的取值范圍都是。對于孤立原子的一個(gè)能級Enl按照泡里不相容原理，最多能容納2（2l+1）個(gè)電子。在形成固體后，這一能級分裂成由N

條能級組成的能帶了，它最多能容納的電子數(shù)為2N(2l+1)個(gè)。例如，對孤立原子的1S、2S能級,在形成固體后相應(yīng)地成為兩個(gè)能帶。它們最多能容納的電子數(shù)為2N個(gè)。

對孤立原子的2P、3P能級,在形成固體后也相應(yīng)地成為兩個(gè)能帶。它們最多能容納的電子數(shù)為6N個(gè)。電子排布時(shí)還得按照能量最小原理從最低的能級排起。孤立原子的最外層電子能級可能填滿了電子也可能未填滿了電子。若原來填滿電子的，在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也填滿了電子。若孤立原子中較高的電子能級上沒有電子，在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶上也沒有電子。若原來未填滿電子的，在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也未填滿電子。孤立原子的內(nèi)層電子能級一般都是填滿的，在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也填滿了電子。排滿電子的能帶稱為滿帶；排了電子但未排滿的稱為未滿帶（或?qū)В?；未排電子的稱為空帶；（有時(shí)也稱為導(dǎo)帶）；兩個(gè)能帶之間的禁帶是不能排電子的。§1.4導(dǎo)體和絕緣體（conductor．insulator）

它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。晶體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體

Eg

Eg

Eg在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。從能級圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗壾S遷到高能級上去。E導(dǎo)體從能級圖上來看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（

Eg約3～6eV），共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄（

Eg約0.1～2eV)。絕緣體半導(dǎo)體絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場非常強(qiáng)時(shí)，它們的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中的。絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體2.1半導(dǎo)體中的電子特征直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙間接帶隙第二章空間電荷區(qū)與p-n結(jié)特性

電子的有效質(zhì)量一維情況：三維情況：有效質(zhì)量為張量價(jià)帶頂附近的有效質(zhì)量量為負(fù)導(dǎo)帶底附近的有效質(zhì)量為正半導(dǎo)體中的載流子－電子和空穴Eg躍遷傳導(dǎo)電子空穴空穴的有效質(zhì)量是價(jià)帶頂電子有效質(zhì)量的負(fù)值，即為正半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征導(dǎo)帶底電子沿外加電場反方向漂移價(jià)帶頂電子沿外加電場方向的漂移Eejevehvhjh本征半導(dǎo)體－不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體價(jià)帶EF(T=0K)導(dǎo)帶本征半導(dǎo)體的載流子濃度施主摻雜及n型半導(dǎo)體PED施主能級和施主電離類氫原子模型：受主摻雜及p型半導(dǎo)體EA類氫原子模型：受主能級和受主電離雜質(zhì)能級上的電子和空穴分布應(yīng)用Fermi-Dirac分布可以得到：施主能級被電子占據(jù)的概率受主能級被空穴占據(jù)的概率電離施主濃度電離受主濃度n型半導(dǎo)體的平衡載流子濃度n0=nD++P0

電中性條件：p型半導(dǎo)體的平衡載流子濃度電中性條件：p0=nA++n0

非平衡載流子非平衡載流子的產(chǎn)生：（1）光輻照（2）電注入非平衡載流子-非平衡載流子的壽命和復(fù)合漂移速度和遷移率vt微分歐姆定律：平均漂移速度和遷移率n型半導(dǎo)體，且n>>pp型半導(dǎo)體，且p>>n本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率的影響因素－載流子的散射電離雜質(zhì)散射聲子散射聲學(xué)聲子散射光學(xué)聲子散射遷移率的計(jì)算總散射概率：平均弛豫時(shí)間：平均遷移率p-n結(jié)的制備工藝合金法擴(kuò)散法p-n結(jié)平衡能帶結(jié)構(gòu)p-n結(jié)平衡電勢p-n結(jié)的整流特性IV第三章太陽電池基本結(jié)構(gòu)

晶體硅太陽電池基本結(jié)構(gòu)薄膜硅太陽電池基本結(jié)構(gòu)化合物太陽電池基本結(jié)構(gòu)§3.1

晶體硅太陽電池基本結(jié)構(gòu)工業(yè)硅6N以上高純多晶硅單晶硅棒多晶硅錠物理化學(xué)處理高溫熔融單晶硅片多晶硅片組件系統(tǒng)晶體硅電池產(chǎn)業(yè)鏈§3.1.1晶體硅的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)晶體硅的原子結(jié)構(gòu)——金剛石結(jié)構(gòu)金剛石的晶體結(jié)構(gòu)示意圖109o28′共價(jià)鍵原子晶體：相鄰原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合而形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體．

☆

構(gòu)成原子晶體的微粒是原子，原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合。金剛石硅與金剛石的區(qū)別金剛石——碳原子（C）組成晶體硅——硅原子（Si）組成其它金剛石結(jié)構(gòu)晶體晶體鍺(Ge)等類似于金剛石結(jié)構(gòu)——閃鋅礦結(jié)構(gòu)砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等109o28′1、金剛石晶體中每個(gè)碳原子周圍緊鄰的碳原子數(shù)——4個(gè)2、金剛石晶體中每個(gè)碳原子形成的共價(jià)鍵數(shù)——4個(gè)3、金剛石晶體中碳原子個(gè)數(shù)與C－C共價(jià)鍵個(gè)數(shù)之比——1:24、金剛石晶胞中占有的碳原子數(shù)——8個(gè)金剛石結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)太陽電池設(shè)計(jì)要點(diǎn)材料選擇與設(shè)計(jì)太陽中心光譜1.4eV,E>Eg,α(E)高電池表面反射率低少子壽命長電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表面電極設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)硅的能帶結(jié)構(gòu)（間接帶隙）導(dǎo)帶底位于k空間X點(diǎn)價(jià)帶頂位于k空間Γ點(diǎn)間接帶隙Eg=1.12eV直接帶隙(Γ)Eg=3eV電子躍遷能量E=Eg+?(kc-kv)不同半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線光吸收特性

P(x)=P0exp(-αx)摻雜特性本證Si:n0=p0n型Si:P摻雜——n-Sip型Si:N摻雜——p-Si電導(dǎo)率/電阻率載流子復(fù)合特性（p-Si）輻射復(fù)合俄歇復(fù)合RAug

缺陷復(fù)合Rtrap總復(fù)合Rn=Rrad+RAug+Rtrap=載流子輸運(yùn)特性摻雜濃度Nd、Na(cm-3)散射中心p-Sin-Si電子遷移率μn(cm2s-1V-1)電子擴(kuò)散系數(shù)Dn(cm2s-1)空穴遷移率μp(cm2s-1V-1)空穴擴(kuò)散系數(shù)Dp(cm2s-1)低Si晶格16004040010高>1019雜質(zhì)802401p-Si的電子擴(kuò)散長度τn=1～10μsLn～100μm，

Lp～1μm因此，太陽電池的發(fā)射區(qū)厚度<1

μm

基區(qū)厚度<100

μm其中為方塊電阻2004年歐洲JRC的預(yù)測太陽級多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)太陽級硅(SolarGrade-SOG)制備方法西門子法冶金法/物理法西門子法冶金級硅（MG）三氯氫硅（SiHCl3）硅還原（CVD）提純(Distillation)SiHCl3+H2Si+3HCl蒸餾塔西門子CVD還原爐西門子CVD還原多晶硅料太陽級多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)冶金法/物理法冶金級硅（MG）熔煉（Melting）定向凝固(Dolidification)添加絡(luò)合劑分凝系數(shù)接近1的雜質(zhì)很難除去單晶硅制備硅料清洗熔料單晶生長硅片切割有機(jī)溶劑氫氟酸直拉單晶爐氬氣保護(hù)線鋸直拉單晶爐外部結(jié)構(gòu)直拉單晶爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)直拉單晶生長過程直拉單晶爐多晶硅制備硅料清洗熔料定向凝固硅片切割有機(jī)溶劑氫氟酸鑄錠爐氬氣保護(hù)線鋸多晶硅鑄錠爐單晶硅多晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)

太陽能電池分為單晶電池和多晶電池，但是它們的結(jié)構(gòu)基本一樣，都有以下部分組成單晶電池多晶電池鋁硅形成背面硅基體擴(kuò)散層藍(lán)色氮化硅絨面表面主柵線表面細(xì)柵線晶體硅太陽能電池工藝簡介

晶體硅電池工藝分為單晶硅電池工藝和多晶硅電池工藝，它們大體上相同，最大的不同在于第一步的清洗制絨，工藝步驟如下：硅片清洗制絨工藝擴(kuò)散工藝邊緣刻蝕工藝氫氟酸清洗工藝PECVD鍍膜工藝印刷燒結(jié)工藝測試工藝組件工序1硅片清洗制絨

目的：清洗是為了除去沾污在硅片上的各種雜質(zhì)，包括油脂、金屬離子、塵埃等；表面刻蝕制絨(SDE,texture)是為了除去硅片表面的切割損傷層，同時(shí)得到合理的粗糙表面，減小光在表面的反射，增加光尤其是長波長光在硅片內(nèi)傳輸路徑，獲得適合擴(kuò)散制p-n結(jié)要求的硅表面。

單晶硅各向異性，我們采用強(qiáng)堿氫氧化鈉(NaOH)腐蝕制絨，而多晶硅是各向同性，采用強(qiáng)酸硝酸和氫氟酸(HNO3+HF)腐蝕制絨。1硅片清洗制絨清洗后硅片質(zhì)量監(jiān)控：腐蝕量計(jì)算、反射率、少子壽命的測試。硅片要求表面光亮，無肉眼可見沾物，無崩邊、缺角、穿孔等可視缺陷，即為合格品。清洗制絨常用設(shè)備廠家：單晶硅：無錫瑞能、深圳捷佳創(chuàng)、48所多晶硅：德國RENA、Schmid單晶硅用堿液制絨面多晶硅用HF和HNO3混合酸制絨面1硅片清洗制絨單晶硅電池在掃描電鏡下放大1500倍的制絨表面多晶硅電池在掃描電鏡下放大1000倍的制絨表面2擴(kuò)散制p-n結(jié)目的：在P型硅片的表面擴(kuò)散(diffusion)進(jìn)一薄層磷，以形成0.3-0.6微米左右深的淺p-n結(jié)，p-n結(jié)形成后，能在硅片內(nèi)產(chǎn)生電場，當(dāng)光照射到硅片上被吸收產(chǎn)生電子-空穴對時(shí)，電場能將電子-空穴對分開，產(chǎn)生電流。擴(kuò)散的原理：擴(kuò)散是自然界普遍存在一種規(guī)律。所謂擴(kuò)散，就是物體存在濃度不均勻時(shí)，從高濃度流動(dòng)到低濃度直至平衡的一種現(xiàn)象。當(dāng)磷沉積在硅片表面后，表面與內(nèi)部存在濃度梯度，磷原子在高溫驅(qū)動(dòng)下穿過晶格到達(dá)其平衡位置，在硅片片面形成n型層。2擴(kuò)散制p-n結(jié)擴(kuò)散后硅片的監(jiān)控：測試方塊電阻R□

(sheetresistance)，R□可理解為在硅片上正方形薄膜兩端之間的電阻，他與薄膜的電阻率和厚度有關(guān)，與薄膜的尺寸無關(guān)。通過的R□測試，可以近似比較磷擴(kuò)散的平均深度。擴(kuò)散后的硅片要求表面光亮且無肉眼可見沾物，無崩邊、缺角、孔洞等可視缺陷才視為合格品。擴(kuò)散后的多晶硅硅片2擴(kuò)散制p-n結(jié)擴(kuò)散的分類：鏈?zhǔn)綌U(kuò)散：diffusioninline管式擴(kuò)散：diffusionintube擴(kuò)散設(shè)備主要廠家：中國：48所德國：Tempress、Centrotherm、Schmid單面擴(kuò)散雙面擴(kuò)散生產(chǎn)中采用的是POCl3液態(tài)源擴(kuò)散3周邊刻蝕目的：擴(kuò)散過程中，硅片的外圍表面導(dǎo)電類型都變成了n型。此工序就是利用等離子體刻蝕機(jī)刻蝕(etching)硅片邊緣，以使前表面與背表面的n型層隔斷，防止電池做出來以后正負(fù)極出現(xiàn)短路。如圖所示：雙面擴(kuò)散的周邊刻蝕邊緣刻蝕的監(jiān)控：邊緣電阻測試參與反應(yīng)的氣體除了去除邊緣n型硅外，還能去除硅片表面的n型硅，所以刻蝕操作時(shí)一定要壓緊硅片，不能使硅片間留有間隙。3周邊刻蝕刻蝕設(shè)備國內(nèi)：等離子體刻蝕—48所，捷佳創(chuàng)國外：激光刻蝕—德國Rofin濕法刻蝕—德國RENA刻蝕分類干法刻蝕濕法刻蝕等離子體刻蝕激光刻蝕4氫氟酸清洗目的：硅片在擴(kuò)散的過程中表面生成了氧化硅(SiO2)，它和磷的氧化物形成磷硅玻璃(PSG:phosphatesilicateglass),玻璃層的存在會在電極印刷過程中，影響到金屬電極和硅片的接觸，降低電池的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)玻璃層還有多種金屬離子雜質(zhì)，會降低少子壽命，因此引入HF清洗工藝。HF酸清洗設(shè)備一般與第一道工序制絨清洗設(shè)備同步配置。常用設(shè)備廠家：單晶硅：無錫瑞能、深圳捷佳創(chuàng)，48所多晶硅：德國RENA